боковую полосу первого преобразования, т. е. колебания 103,3— 103,4 кГц. Эти различные по информации сигналы подаются на балансный модулятор БМ-2. Частота второго поднесущего коле бания, подаваемого на БМ-2, / 2 = 2700 кГц (2,7 МГц). Таким об разом, на его выходе присутствуют две боковые полосы колеба ний, в каждой из которых находятся две независимые информа ции. Эти «двухканальные» боковые полосы достаточно разнесены и легко разделяются соответствующей настройкой контуров баланс ного модулятора БМ-2 и усилителя промежуточной частоты, кото рый иногда вводится в схему.
Последнее преобразование выполняется в балансном модулято ре БМ-3 передатчика (два пентода ГУ-50), собранном по двухтакт но-параллельной схеме (см. рис. 12.46). Колебания на БМ-3 (см. рис. 12.7) подаются с типового диапазонного возбудителя ВЧД-100. После возбудителя включаются два каскада для усиления или уд
воения частоты колебаний |
(на пентодах ГУ-50), так |
как макси |
мальная частота возбудителя составляет только 5,6 МГц. |
С выхода балансного модулятора БМ-3 |
колебания |
поступают |
на дополнительный каскад |
усиления одной |
боковой |
полосы, со |
бранный на двух пентодах ГУ-50. Все дальнейшее усиление осу ществляется в каскадах типового передатчика КВ-50/80.
Таким образом, в рассматриваемой схеме возможна передача двух независимых информаций (телефонных каналов) в одной бо ковой полосе.
Аналогичным образом, используя вторую боковую полосу коле баний передатчика, можно осуществить четырехканальную переда чу. При обычной одноканальной работе тракт второго канала, от меченный пунктирной линией (см. рис. 12.7), отключается. Следу ет отметить, что основное преобразование и фильтрация однополос ного сигнала осуществляются в блоке формирования, имеющем неперестраиваемые элементы (кольцевой балансный модулятор,
ной однополосной передачи поясняется рис. |
туров каскадов |
усиления |
12.10. Второй канал здесь вводится при по- |
однополосного |
амплитуд- |
мощи низкочастотного колебания г 0=4кГц |
нала |
|
в балансном модуляторе БМ0. |
полосу преобразован |
Фильтр Ф0 выделяет верхнюю боковую |
ных колебаний, т. е. 4,3—7,4 кГц. Таким образом, однополосный спектр первого канала сдвигается по шкале частот на 4 кГц, и при объединении каналов на входе второго балансного модулятора БМ-2 их спектры располагаются рядом. Дальнейшие преобразова ние и усиление сигналов видны из схемы.
Л канал |
|
I |
канал |
iF = o ,3 ± m ru , |
|
IF |
(0,3+3,1кГц) |
(1000кГц) |
ОМ-1 |
|
|
|
|
|
Регулятор |
ф-1 |
|
|
уровня |
100,3+107,0кГц |
|
|
I |
Ъвмпи |
|
■вм-г ■ |
|
|
Ф-г |
|
|
|
2100,3+2107,0 кГц |
|
|
|
failл.с. =2100кГц |
|
|
f 7 (З+ЗОМГц) |
ЕМ-3 |
|
|
|
|
|
К к а т вам усиления 060 fj-IF (21 00 ,3+2107,0)
Опил.с. =0j ~2100КГа.
Рис. 12.10. Диаграмма формирования одиопо-
лосного высокочастотного сигнала с двумя 'Не зависимыми телефонными каналами
К О Н Т Р О Л Ь Н Ы Е В О П Р О С Ы
1. Поясните возможность передачи (и приема) сигналов информации излуче нием только одной боковой полосы спектра амплитудномодулированных ко лебаний.
2.В чем заключается эффективность радиосвязи при 'однополосной амплитуд ной модуляции?
3.Чем объясняется повышенная требовательность к стабильности частоты авто генератора передатчика при однополосной работе?
4.Составьте функциональную схему формирования однополосного амплитудномодулировэнного сигнала фильтровым методом.
5.Нарисуйте и поясните работу различных схем балансных модуляторов.
6.Перечислите типы фильтров, применяемых при формировании однополосных сигналов, и их основные характеристики.
7.Поясните возможности многоканальной телефонно-телеграфной работы при однополосной модуляции.
Г Л А В А Т Р И Н А Д Ц А Т А Я
ФАЗОВАЯ и ЧАСТОТНАЯ МОДУЛЯЦИИ
13.1. ХАРАКТЕРИСТИКА УГЛОВОЙ МОДУЛЯЦИИ
Рассмотрим способы передачи сообщений путем воздей ствия модулирующего сигнала на фазу и частоту высокочастотного колебания. Как ^известно, колебания (тока, напряжения), созда ваемые радиопередатчиком при отсутствии модуляции, являются гармоническими и описываются выражением
i — 7cos(tоД + ср0) = |
/coscp(^). |
(13.1) |
Аргумент |
гармонической |
(колебательной) |
функции косинуса |
или синуса |
ф(7) = соо^-Ьфо называется текущей |
фазой колебания. |
Она однозначно характеризует состояние гармонического колеба ния в данный момент времени t и измеряется в градусах или ра дианах1). Поэтому воздействие модулирующего сигнала на аргу
мент косинусоидального |
колебания — его текущую фазу, завися |
щую от времени, — называют угловой модуляцией. |
|
Воздействие модулирующего сигнала может быть двояким: |
а) на первую часть |
аргумента — угловую частоту |
колебания |
(так называемая частотная модуляция)-, |
колебания |
б) на вторую часть |
аргумента — начальную фазу |
(фазовая модуляция). |
|
|
При отсутствии модуляции текущая фаза гармонического сиг нала с неизменными амплитудой, угловой частотой <оо и начальной фазой фо изменяется (постепенно нарастает) равномерно по линей ному закону. Ее изменение характеризуется прямой линией, про ходящей через начало координат (рис. 13.1, график q>(t) = m t).
Изменение начальной фазы приводит к сдвигу графика ф(Т) на определенную величину, например при фо = ф1 график представлен зависимостью ф (0 = <*)о7+фь а при фо = —фг — зависимостью ф(t) = = соо7—фг. Таким образом, вторая часть аргумента — фо — харак теризует сдвиг фазы относительно первоначальной — aot
Рассмотрим изменение текущей фазы ф(7) по закону гармони ческого модулирующего сигнала при фо=0 (рис. 13.2). Известно, что угловая скорость, или угловая частота, со=Аф/Д7*2). Как видно из верхней части графика, одним и тем же приращениям времени А/ соответствуют различные приращения текущей фазы Дфц), Дф(2 >-
В нижней части графика |
(при отсутствии модуляции) приращение |
') |
1 радиан « 5 7 ,3 ° . |
является производной фазы по времени G> = dq>/dt. |
2) |
Математически частота |
12—25 |
|
. -353 |
текущей фазы Дфо постоянно, что свидетельствует о постоянстве угловой частоты <в0Изменения текущей фазы в точках 2 больше, чем в отсутствие модуляции, т. е. Лф(2 )/А/>Афо/Д/, и угловая часто та колебаний возрастает: Ш2 >о>о- Наоборот, в точках 1 приращения фазы меньшие, чем в отсут ствие модуляции, и угловая
частота coi убывает по срав нению с первоначальной ча стотой ©о, т. е. Дф(,)/Дt<
<Дфо/At и coi < ©о-
Р ис. 13.1. График, |
пояс |
Рис. 13.2. График, поясняющий изме |
няющий |
изменение |
фазы |
нение текущей фазы колебания при |
гармонического колеба |
гармоническом изменения его началь |
ния при |
различных сдви |
ной фазы q>o=A<psin£!( |
гах начальной фазы ф0 |
|
Таким образом, неравномерное изменение фазы сопровождает ся неравномерными изменениями частоты колебания со. Изменения фазы и частоты колебания неразрывно связаны, т. е. любое изме нение мгновенной фазы вызывает изменение мгновенной частоты колебания, а изменения частоты вызывают изменения сдвига фазы относительно первоначальной (немодулированной) (рис. 13.3). По
этому и фазовая, и частотная модуляции от носятся к общему клаесу угловой модуля ции.
Угловая модуляция (фазовая или час тотная) характеризуется двумя основными параметрами:
|
|
1) максимальным сдвигом фазы отно |
|
|
сительно начальной, немодулированной, так |
|
|
называемым индексом модуляции Дф; |
|
|
2) максимальным отклонением частоты |
|
|
или девиацией &&(&{). |
|
|
Максимальные значения сдвига фазы |
Рис. 13.3. |
Изменение |
Дф и отклонения частоты Дсо(А/) отсчиты |
мгюавенной |
фазы ко |
ваются от значений, соответствующих от |
лебания при измене |
сутствию модуляции, либо в сторону увели |
нии частоты |
чения, либо — уменьшения. |
Индекс модуляции и девиация частоты связаны между собой следующим соотношением*);
Д со = А ср£2 |
(13.2) |
или |
(13.2а) |
A.f = A<pF, |
где £2(Т) — частота модулирующего сигнала. |
и частотной |
Законы изменения этих параметров при фазовой |
модуляциях различны. Рассмотрим их более подробно. |
|
13.2. ФАЗОВАЯ МОДУЛЯЦИЯ
Фазовой модуляцией (ФМ) называется изменение мгно венной фазы высокочастотного колебания в соответствии с колеба ниями передаваемого (модулирующего) сигнала более низкой ча стоты.
В простейшем случае высокочастотное колебание модулируется гармоническим сигналом, изменяющимся по закону косинуса или синуса. При этом амплитуда модулируемого колебания остается неизменной, а его фаза q>(t) возрастает пропорционально времени и изменяется по закону модулирующего сигнала Us соэШ, т. е.
ср = (Dqt —|—фд -р Д фcos Qt . |
(13.3) |
Индекс модуляции (сдвиг фазы) Дф пропорционален амплиту де модулирующего сигнала Uа и не зависит от его частоты. Мате матическое выражение для высокочастотного колебания, модули рованного по фазе, на основании ф-лы (13.1) запишется в виде
£фм = ^ cos (®о ^ + Фо + А ф cos ^ О-
Выбирая для упрощения начальную фазу немодулированного колебания ф о = 0, получаем окончательно
гфМ = /со8(ю0/ + Д Фсо5П/). |
(13.4) |
Графики, поясняющие процесс фазовой модуляции, приведены на рис. 13.4. Колебание, модулированное по фазе (рис. 13.46), да же в простейшем случае модуляции гармоническим сигналом яв ляется сложным. Его гармонический характер нарушается, так как при модуляции изменяются и фаза, и частота. Отклонение фазы — девиация фазы колебания — происходит по закону модулирующего сигнала (рис. 13.4в). Неравномерное изменение мгновенной фазы (различные приращения Дф) модулируемого колебания приводит к изменениям его мгновенной частоты относительно средней немодулированной частоты ш0 (см. рис. 13.4в, г). Зная, что скорость изменения фазы по времени Дф/Д£=ш есть угловая частота, не трудно убедиться, что наибольшие изменения частоты соответст вуют наибольшим значениям скорости изменения фазы (точки 1 , 3).
') Называемом обычно «уравнением угловой модуляции».
4?
*)
6u0+AOJ^.5i.tltit
г)
ди,=дул
/ 2 3 4
Peer. 13.4. Графики, поясняющие процесс фазовой 'модуляции
При косинусоидальных модулирующем сигнале и изменении фазы частота изменяется по закону синуса (см. рис. 13.4г).
При большей скорости изменения фазы, т. е. при более высокой частоте модулирующего сигнала (см. пунктирные кривые рис. 13.4), девиация частоты Дсо будет соответственно большей и наобо рот. Это подтверждается соотношением (13.2), из которого следует, что девиация частоты при фазовой модуляции зависит не только от уровня модулирующего сигнала, определяющего величину сдви га фазы Дф, но и от его частоты. Закон изменения частоты при фа зовой модуляции определяется производной по времени от выра жения для фазы модулированного колебания [см. выражение (13.3)]:
со = -^-2- = со0 + |
Д ср £2 sin Q/ |
d t |
. |
или на основании выражения (13.2)
со = ш0 + Дсо sin Q t.
. Таким образом, частота колебания, модулированного по фазе косинусоидальным сигналом, изменяется по закону синуса, а вы ражение для тока, модулированного по фазе, можно записать в виде
;'фМ— I cos (со0 -}- Д со sin Q t) t. |
(13.5) |
Это выражение подчеркивает сходство |
фазовой и частотной |
модуляций. Если частота Q постоянна, оба вида модуляции не различимы.
Условием неискаженной фазовой модуляции является сохране ние линейной зависимости между амплитудой модулирующего сиг нала и сдвигом фазы высокочастотного колебания. Во многих схе мах фазовой модуляции, описанных ниже, необходимая линейность обеспечивается только в весьма узких пределах — до 0,5 рад (28°), что недостаточно для глубокой модуляции.
Фазовая модуляция применяется в схемах косвенного метода получения частотной модуляции. За последние годы получил боль шое распространение частный случай скачкообразной фазовой мо дуляции (манипуляции) для передачи телеграфных сигналов, так называемая фазовая телеграфия (см. гл. 15).
13.3. ЧАСТОТНАЯ МОДУЛЯЦИЯ
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
Частотной модуляцией (ЧМ) называется изменение ча
стоты высокочастотного колебания |
в соответствии с колебаниями |
передаваемого (модулирующего) |
сигнала более низкой частоты. |
В простейшем случае модуляции гармоническим сигналом, из меняющимся по закону косинуса или синуса, частота высокочас тотного колебания изменяется около среднего значения соо по за кону модулирующего сигнала, т. е.
со = со0 -!- AcocosQ/, |
(13.6) |
где Дсо— девиация частоты, пропорциональная амплитуде модули рующего сигнала и не зависящая от его частоты; <оо — средняя несущая частота немодулированных колебаний.
Амплитуда колебания (тока, напряжения), модулированного по частоте, как и в случае фазовой модуляции, остается постоянной. Выражение для частотномодулированного тока, известное из тео рии угловой модуляции, имеет вид
£чм = / cos [(©„ + А © cos Qt) t + ср0].
Иногда это выражение удобнее записать в иной форме. Если частота ш есть производная от фазы, то, наоборот, фаза есть инте
грал от частоты: ф= | |
es(>t)dt. Интегрируя выражение для |
мгновен- |
о |
|
|
|
ной частоты, получим |
iHM — I cos fa0 1 -f |
sin Q t cp0V |
|
(Oo+ A Q C 0 |
$ Z S lt |
S it |
Рис. 13.5. Графики, поясняющие процесс частотном модуляции
При начальной фазе ф о = 0 это выражение упрощается:
tчм — I cos^co^ + |
sin й /j . |
В нем второе слагаемое аргумента Aw/Q sin Ш описывает закон изменения фазы колебания при частотной модуляции гармониче ским косинусоидальным сигналом t/a cos ЙЛ При этом индекс мо дуляции Д<р=Д<о/й.
Частотномодулированное колебание, как и фазово-модулиро- ванное, является сложным. Структуры их спектров существенно отличаются от спектра амплитудномодулированного колебания.
Графики, поясняющие процесс частотной модуляции, приведе ны на рис. 13.5. Первый из них (рис. 13.5а) показывает модулиру ющие колебания, отличающиеся по частоте, но с равными ампли тудами (уровнями) сигналов; второй (рис. 13.56)— частотномодулированное колебание. Это колебание уже не является гармониче ским. Третий график (рис. 13.5е) иллюстрирует изменения частоты в результате воздействия модулирующего сигнала. Из него выте кает, что амплитудному значению модулирующего сигнала Us со ответствует наибольшая девиация частоты Лот График рис. 13.5 г показывает характер изменения фазы, которая в случае косинусомдальнего модулирующего сигнала изменяется оо закону синуса. Из графиков следует, что в отсутствие модуляции средняя частота первоначального колебания соо остается неизменной. Появление мо дулирующего сигнала Us oos Qt вызывает соответствующие изме
нения частоты и фазы среднего '(несущего) колебания. При перио дическом, например .косинусоидальном, изменении модулирующего сигнала частота колебания изменяется периодически с максималь ной девиацией Асо. Таким образом, частота модулируемых колеба ний периодически достигает крайних значений — то максимума <о.чанс = соо 4-Асо, то минимума сомип = соо—До». При более сложном сиг нале изменения частоты среднего (.несущего) колебания во времени также повторяют его форму.
Для получения неискаженной модуляции необходимо, чтобы изменения частоты высокочастотного колебания были линейно свя заны с изменениями модулирующего сигнала, а девиация частоты Дсо определялась только его амплитудой и не зависела от частоты (й). Сравнение действия двух различных по частоте модулирую щих сигналов с равными амплитудами показывает, что изменение частоты модулирующего сигнала Й не влияет на девиацию Дсо. Из меняется только период этих отклонений, который равен периоду модулирующего сигнала: l/F — 2n/Q.
На рис. 13.5г показан характер изменения сдвига фазы колеба ния. Максимальное значение сдвига фазы (Д<р = М) называется индексом частотной модуляции и зависит от частоты модулирую щего сигнала, в то время как при ФМ индекс модуляции не зави сит от й. В рассматриваемых графиках при равенстве амплитуд модулирующих сигналов Дер уменьшается с увеличением частоты модуляции. Таким образом, индекс частотной модуляции М связан с девиацией частоты следующим соотношением: М=Лсо/й. При заданном уровне и неискаженной модуляции величина девиации
частоты Дсо должна оставаться постоянной и не зависеть от часто ты модулирующего сигнала. Это условие выполняется, если изме нения фазы, сопровождающие частотную модуляцию, будут обрат но пропорциональны частоте модулирующего сигнала.
Качество фазовой и частотной модуляций характеризуется ра бочими (динамическими) модуляционными характеристиками, представляющими зависимости Дсо =f\{Us) в случае ЧМ и Дср= =, fi(Us ) в случае ФМ при й (К) = const.
СПЕКТР КОЛЕБАНИЙ
Рассмотрим спектр колебания, модулированного по ча стоте. Математический анализ показывает, что даже в простейшем случае модуляции одним гармоническим сигналом П(Уу) спектр ЧМ колебания содержит бесконечное множество боковых колеба ний, расположенных попарно относительно среднего (несущего) колебания too, амплитуда которого меняется в процессе модуляции. Это существенно отличает спектр ЧМ (и ФМ) колебаний от спект ра при амплитудной модуляции, где амплитуда несущего колеба ния сохраняется неизменной и значительная часть мощности пере датчика расходуется бесполезно.
Боковые |
частоты спектра ЧМ равны wo±/iQ, |
где |
/г=1, 2, 3 п |
т. д. — ряд |
натуральных чисел. Следовательно, |
при |
ЧМ (и ФМ) |
спектр бесконечно широк. |
|
|
Расстояния между соседними боковыми колебаниями равны ча стоте модулирующего сигнала Q(TJ. Амплитуды среднего и боко вых колебаний зависят от индекса модуляции М. С его увеличени ем амплитуда среднего колебания уменьшается и при определен ных значениях индекса частотной модуляции оказывается равной нулю. Амплитуды первой пары боковых колебаний при небольших величинах индекса М возрастают, а затем уменьшаются. По мере увеличения п их амплитуды быстро убывают.
Ширина спектра, необходимая для передачи сообщения при ча
стотной |
модуляции, определяется девиацией |
частоты Дсо (или Д/) |
и слабо |
зависит от частоты модулирующего |
сигнала. Это выгодно |
отличает частотную модуляцию от фазовой, при которой ширина необходимого спектра зависит от частоты модулирующего колеба ния. Энергия ЧМ колебания распределена в широком спектре ча стот. Каждая пара боковых колебаний, амплитуды которых состав ляют не менее 5% от амплитуды немодулированмого среднего ко лебания, играет важную роль при передаче и приеме частотиомодулированного сигнала. Ширина спектра, необходимая для пе редачи этих эффективных боковых колебаний, называется эффек тивной полосой. Ее можно определить из приближенного выраже ния для больших индексов модуляции
2 Д/зфф = Яэфф « 2 (Д f + |
FB) = 2 F„ (М + |
1), |
(13.8) |
где Дf — заданная девиация частоты, a F„ — высшая |
частота моду |
лирующего сигнала; приМ^>1 lf^$>FB. |
|
|
Для выяснения влияния параметров Дf и М на структуру спек |
тра ЧМ колебания рассмотрим два крайних случая: |
постоянным: |
1) Уровень модулирующего |
сигнала остается |
Uq = const, а частота изменяется |
в пределах от |
до FB. |
Девиация частоты Дf, зависящая от амплитуды модулирующего сигнала, остается постоянной. Изменение частоты модуляции, на пример возрастание ее от до FB, сопровождается уменьшением числа пар эффективных боковых колебаний и одновременным уве личением их амплитуд. Индекс частотной модуляции М уменьшает-
